Instituto Militar de Engenharia

Transcrição

1 Instituto Militar de Engenharia Microtextura Aplicada à Ciência dos Materiais André Luiz Pinto

2 IME e o Pão de Açúcar

3 Por que estudar textura? R = Coeficiente de anisotropia plástica R = ε w / ε t Anisotropia normal : R m = ( R DL + 2R 45 + R DT ) / 4 Anisotropia planar : R = ( R DL -2R 45 + R DT ) / 2

4 Por que estudar textura? VARIAÇÃO DE R NO PLANO DA CHAPA : Aço IF

5 Por que estudar textura? Relação entre R e Orelhamento de um copo feito por embutimento : Qualitativamente, o gráfico da variação de R no plano da chapa é semelhante ao perfil do orelhamento do copo. Onde há máximos, há orelhas; onde há mínimos, há depressões. Orelhamento depende somente da textura cristalográfica.

6 Por que estudar textura? Textura propriedades permite modelamento Deformação textura permite modelamento (desprezando as heterogeneidades de deformação) Recristalização (t e T) textura difícil modelamento depende da microestrutura necessidade de microtextura

7 Técnicas para avaliar orientação cristalina Raios X analisa grandes volumes estável MET resolução da ordem de 2 ηm capacidade de analisar apenas pequenas regiões EBSD/MEV resolução menor que 0,1 µm (filamento de W) e 50 ηm (FEG) capaz de analisar rapidamente áreas da ordem de (100x100) µm

8 Microscopia Eletrônica Padrões de Kikuchi Williams e Carter Padrão de Kikuchi no MET Padrão de Kikuchi no MEV

9 Padrões de Kikuchi

10 Padrões de Kikuchi inclinação da amostra

11 Padrões de Kikuchi inclinação A inclinação da amostra permite, a um só tempo, eliminar o espalhamento incoerente e diminuir a absorção das linhas de Kikuchi pela amostra.

12 Equipamento para análise de EBSD no MEV A amostra é inclinada de 70 o. Os elétrons difratados são espalhados em altos ângulos, sendo captados pela tela de fósforo. A maior parte do espalhamento incoerente ocorre em baixos ângulos, não interferindo na imagem formada na tela.

13 Electron backscatter difraction (EBSD) no MEV A largura das bandas está diretamente relacionada ao espaçamento interplanar. O ângulo entre as bandas corresponde ao ângulo entre os planos cristalinos.

14 Equipamento para análise de EBSD no MEV Ao se adotar um sistema de posicionamento fixo da amostra, pode-se encontrar a orientação de cada domínio cristalino.

15 Identificação dos Padrões de Kikuchi Padrão de Kikuchi obtido em Nióbio (CCC).

16 Identificação dos Padrões de Kikuchi Electron Backscatter DiffractionPattern (EBSP) ρ max HoughTransform ρ Hough Parameters ρ θ ρ min 0 θ ρ=xcosθ+ysenθ Identifica-se as linhas retas. Mede-se o ângulo entre as linhas, dando origem a uma lista de ângulos encontrados. Existe uma lista teórica dos os possíveis ângulos para cada rede de Bravais.

17 Identificação dos Padrões de Kikuchi Número de bandas Precisão angular Tabela de Votos Padrões indexados com CI maior que 0,1 possuem 95% de certeza

18 Sistema automático de identificação Todo o processo de identificação leva 0,03 s

19 EBSD aplicado à estudos de textura DT Ângulos de Euler φ 1, Φ, φ 2 [001] [010] Para cada ponto analisado, são armazenados: coordenadas X,Y IQ do padrão CI da identificação Ângulos de Euler φ 1, Φ, φ 2 Fase cristalina DN DL [100]

20 O EBSD e suas limitações Parâmetros relacionados à resolução espacial da técnica de EBSD: tipo de fonte de elétrons (dimensão do cross over e densidade de corrente), voltagem de aceleração, spot size, número atômico da amostra analisada. Uma visão otimista proporciona números como: 10ηm para um filamento de emissão de campo (FEG) e 50 ηm para um filamento de tungstênio. A prática comum proporciona 20 ηm como melhor resultado com um FEG a 10 kv e 100 ηm para filamento de tungstênio. Limitação para amostras deformadas.

21 Microscopia de Imagem por Orientação (MIO) Textura predição de propriedades modelos de evolução da textura Mapas de qualidade distorção da rede relação entre textura e microestrutura Arquivo coordenadas X,Y IQ do padrão CI da identificação Ângulos de Euler φ 1, Φ, φ 2 Fase cristalina Mapas de orientação hetegeneidades de deformação predição local de propriedades Análise dos Contornos de Grão

22 Caracterização de um contorno de grão

23 Critérios Geométricos p/ caracterizar o CG Contornos podem ser caracterizados por: Densidade superficial de sítios coincidentes, Γ Densidade volumétrica recíproca de sítios coincidentes, Σ Humphreys e Hatherly

24 Exemplo de contorno CSL Maclas Contornos de macla (CFC): Σ=3 <111> 60 o Σ=9 <110> 39 o Σ=27 <110> 32 0

25 Contornos CSL Propriedades Especiais Menor energia em metais puros; Menor suscetibilidade à segregação de soluto; Maior mobilidade com solutos específicos em certas faixas de concentração; Menor difusividade; Maior resistência ao deslizamento do contorno de grão, fratura e cavitação; Menor resistividade elétrica intrínseca; Maior resistência à iniciação de corrosão localizada. Hasson e Goux Engenharia do Contorno de Grão

26 Engenharia de Contorno de Grão Busca-se, em geral, aumentar as seguintes propriedades dos materiais: limite de resistência à tração; limite de escoamento; tenacidade; resistência à corrosão; resistência à fadiga; resistência à fluência; condutividade elétrica; embutibilidade. Para tal, costuma-se alterar as seguintes características físicas: fases presentes na temperatura de trabalho; controle das precipitações e segregações; controle da morfologia das fases presentes; textura cristalográfica.

27 Engenharia de Contorno de Grão Watanabe foi o primeiro a propor a possibilidade de controlar a cristalografia do contorno de grão em si através do processamento termomecânico, de modo a incorporar aos materiais contornos com valores baixos de: energia; difusividade; resistividade. Assim nasceu o conceito de engenharia de contorno de grão, projeto do contorno de grão ou otimização do contorno de grão.

28 Percentual de Pontos Triplos Latão-α Porcentagem (%) REC DEF ECGA ECGB1 ECGB2 ECGB3 ECGB4 ECGC ECGD CSL-0 CSL-1 CSL-2 CSL-3 CSL-4 Nomenclatura Deformação Temperatura Tempo Diâm. médio Contornos CSL REC 40% 450ºC 2 h 25 µm 44% ECGA 40% 7% 450ºC 800ºC 2 h 1 min 35 µm 55% ECGB1 40% 7% 450ºC 800ºC 2 h 5 min 47 µm 58% ECGB2 40% 7% 7% 450ºC 800ºC 800ºC 2 h 5 min 5 min 86 µm 58% ECGB3 40% 7% 7% 7% 450ºC 800ºC 800ºC 800ºC 2 h 5 min 5 min 5 min 117 µm 53% ECGB4 40% 7% 7% 7% 7% 450ºC 800ºC 800ºC 800ºC 800ºC 2 h 5 min 5 min 5 min 5 min 156 µm 63% ECGC 40% 7% 450ºC 300ºC 2 h 168 h 25 µm 63% ECGD 40% 70% 7% 7% 450ºC 450ºC 800ºC 800ºC 2 h 30 min 5 min 5 min 116 µm 63%

29 Latão-α Composição da análise de vários campos da amostra ECGC mostrando como contornos CSL passam a separar grãos e como a microestrutura se subdivide devido à localização da deformação.

30 O uso do MET em Microtextura Os mesmos padrões de Kikuchi podem ser utilizados no MET para determinar a orientação cristalina de um determinado domínio.

31 Percentual de Pontos Triplos Chumbo Porcentagem (%) REC ECG1 ECG2 ECG3 0 CSL-0 CSL-1 CSL-2 CSL-3 CSL-4 Nomenclatura Deformação Temperatura Tempo Diâmetro médio Contornos CSL REC 40% 40% 150ºC 120ºC 12 min 10 min 43 µm 36% ECG1 40% 40% 7% 150ºC 120ºC 120ºC 12 min 10 min 4 min 54 µm 57% ECG2 40% 40% 7% 7% 150ºC 120ºC 120ºC 120ºC 12 min 10 min 4 min 4 min 41 µm 45% ECG3 40% 40% 7% 7% 7% 150ºC 120ºC 120ºC 120ºC 120ºC 12 min 10 min 4 min 4 min 4 min 47 µm 32%

32 Exemplos de Engenharia de Contorno de Grão Placas de bateria submetidas à ciclagem entre 0,8V e 1,4 V a taxa de 2 ciclos por dia por 35 dias com 12% e 65% de contornos CSL Baterias perdem eficiência no processo de carga e descarga com o uso devido à degradação de seus materiais componentes. A reação PbO 2 PbSO 4 resulta em alteração de volume no anodo, o que causa corrosão intergranular na liga de Pb. A falha final da placa pode se dar por fluência ou trincamento devido ao ataque intergranular. Uma das formas de minimizar este problema é adicionar elementos de liga como Ca, Sn, Ag e Ba. Outra alternativa seria aumentar a quantidade de contornos CSL. Lehockey e Palumbo

33 Chumbo A observação do estado de placas de baterias incapazes de receber carga revelou claros indícios de corrosão intergranular. O chumbo utilizado neste trabalho foi obtido a partir da fusão de placas retiradas de uma bateria nova. Superfície de uma placa degradada Pb Sn Ca EDS 98,5 1,4 0,1 Microestrutura inicial das placas de bateria

34 Percentual de Pontos Triplos 60 Inconel 600 Porcentagem (%) REC DEF ECGA1 ECGA2 ECGA3 ECGB ECGC 0 CSL-0 CSL-1 CSL-2 CSL-3 CSL-4 Nomenclatura Deformação Temperatura Tempo Diâmetro médio Contornos CSL REC 40% 1.000ºC 850ºC 35 min 30 min 12 µm 47% ECGA1 40% 8% 1.000ºC 850ºC 850ºC 1 h 30 min 5 min 9 µm 33% ECGA2 40% 8% 8% 1.000ºC 850ºC 850ºC 850ºC 35 min 30 min 5 min 5 min 9 µm 50% ECGA3 40% 8% 8% 8% 1.000ºC 850ºC 850ºC 850ºC 850ºC 35 min 30 min 5 min 5 min 5 min 9 µm 42% ECGB 40% 8% 1.000ºC 850ºC 850ºC 1 h 30 min 10 min 9 µm 33% ECGC 40% 8% 1.000ºC 850ºC 1.000ºC 35 min 30 min 5 min 19 µm 61%

35 Ensaios Acelerados de Fluência A fluência foi a propriedade escolhida para avaliar os efeitos da engeharia de contorno de grão. Os ensaios foram realizados na COPPE/UFRJ, numa máquina Amsler de 5 postos. σ=300mpa, T=550 o C

36 Ensaios Acelerados de Fluência A temperatura dos fornos era monitorada por sistema no-break, permitindo o acompanhamento dos ensaios. Monitoramento do Ensaio de Fluência Acelerado 600 Temperatura (oc) /02/04 29/02/04 01/03/04 02/03/04 03/03/04 04/03/04 05/03/04 06/03/04 07/03/04 08/03/04 09/03/04 10/03/04 Data-hora (dd/mm/aa)

37 Inconel 600

38 Inconel 600

39 Inconel 600 Percurso de uma trinca de fluência numa amostra ECGA1

40 Filmes Finos de CdTe Filmes finos de telureto de cádmio são utilizados como camada absorvedora em dispositivos fotovoltaicos CdS/CdTe devido aos seu alto coeficiente de absorção (>10 4 cm -1 ) e banda de gap ( 1.5 ev). A maior eficiência de células solares de CdTe obtida foi de 16.4%, recentemente alcançada pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL/USA).

41 CdTe Thin Films Filmes de CdTe com espessura de 2.5µm foram depositados sobre vidro borosilicato/sno2/cds.

42 Closed Space Sublimation

43 Closed Space Sublimation

44 Tratamento Termoquímico com CdCl 2 Decréscimo no pico (111) devido à alteração na textura cristalográfica Deslocamento no pico (111) devido a alterações no parâmetro de rede devido a formação de CdTeS

45 Evolução do CdTe a Deposição

46 Filmes Finos e EBSD Problemas: preparação de amostras e resolução Rotas de preparação: Ion milling Ataque químico: bromometanol 1 µm CdTe como depositado

47 Deposição em Temperatura Elevada CdTe depositado a 600 o C sobre CdS Tratamento com CdCl 2 a 420 o C Melhores propriedades ótica e mobilidade dos portadores 1 µm CdTe após o tratamento

48 Deposição em Temperatura Elevada CdTe como depositado CdTe após o tratamento

49 Deposição em baixa temperatura Filme de CdTe depositado a 300 o C sobre CdS Grão pequenos e altamente orientados (1 1 1)

50 Deposição em Baixa Temperatura Filme de CdTe depositado a 300 o C sobre CdS e tratado com CdCl 2 a 420 o C/5min Recristalização observada

51 Deposição em Baixa Temperatura Filme de CdTe depositado a 300 o C sobre CdS e tratado com CdCl 2 a 440 o C/5min Recristalização observada

52 Contornos CSL no CdTe? Significante quantidade de contornos CSL (em torno de 38%) no estado tratado Seria esta a razão para as excelente propriedades óticas observadas? Ou trata-se apenas de um efeito do aumento do contorno de grão? É possível controlar a quantidade de contornos CSL? Como depositado 440 o C/5min

53 Contornos CSL no CdTe? O tratamento térmico gerou maclas

54 O estudo da recristalização Para modelar adequadamente a textura após a recristalização é fundamental saber se predomina a nucleação orientada ou o crescimento orientado. Para compreender a recristalização é preciso compreender adequadamente o estado deformado e como as variações no processo podem influenciar na microestrutura.

55 O Estado Deformado Ni deformado 99% Estrin et al., Acta Mater., 1998, 46, N. 5,

56 O Estado Deformado Hughes e Hansen, Acta Mater., 2000, 48,

57 Cobre deformado a baixa T Cu trefilado a 295 K Cu trefilado a 77K

58 Combinação EBSD/TEM Algumas vezes é preciso considerar que a estrutura de discordâncias formadas terá relação com textura cristalográfica naquela região. No MET, estamos perto demais. Richard et al., Ad. Eng. Mat., 2003, 5, N.3.,

59 A Influência do Estado Deformado na Recristalização Efeitos de orientação em um aço IF-Ti, laminado a frio até 70% e recozido a 750 o C por 1 min.

60 O Fenômeno de Ridging Ferríticos em aços INOX BROCHU (1997).

61 AISI X EXTERNAL SURFACE 100X Longitudinal Section Antes e depois de um estiramento de 20%

62 Superfície do Aço AISI > DT ,5mm

63 Recristalização incompleta (a) (b) (c) Central plane orientation maps of AISI 434. Large grains with orientation near to {001} <110> (red).

64 Heterogeneidade ao longo da espessura ND ALL TD <110>

65 Onde está a fronteira em MEV? Fase de Laves em uma liga Fe3Al Konrad et al., Acta Mater., 2006, 54,

66 Onde está a fronteira em MEV? É possível avaliar o efeito da fase de Laves sobre a matriz e realizar cortes múltiplos o efeito da partícula sobre o potenciais núcleos para recristalização Konrad et al., Acta Mater., 2006, 54,

67 Onde está a fronteira em MET? O MET é uma ferramenta que pode contruir mapas de orientação com resolução espacial uma ordem de grandeza maior do que FEGSEM. Zaefferer, Adv. Eng. Mater. 2003, 5, N.5,

68 Obrigado!